Betriebssysteme - WS 2011/2012 Margarita Esponda Freie Universität Berlin - Freie Universität Berlin
←
→
Transkription von Seiteninhalten
Wenn Ihr Browser die Seite nicht korrekt rendert, bitte, lesen Sie den Inhalt der Seite unten
Betriebssysteme
Margarita Esponda
Freie Universität Berlin
WS 2011/2012
1
Betriebssysteme
Heute
Definition eines Betriebssystems
Geschichte der Betriebssysteme
Prof. Dr. Margarita Esponda-Argüero
2Was ist ein Betriebssystem?
Heutzutage weiß jeder,
was ein Betriebssystem
ist.
Prof. Dr. Margarita Esponda-Argüero
3Was ist ein Betriebssystem?
Ein Betriebssystem ist der wichtigste Softwareteil
eines modernen Computersystems.
Ein Betriebssystem ermöglicht die grundlegende
Kommunikation zwischen Hardware und
Anwenderprogrammen.
Es verwaltet Betriebsmittel wie Speicher, Ein- und
Ausgabegeräte und steuert die Ausführung von
Programmen.
Prof. Dr. Margarita Esponda-Argüero
4Was ist ein Betriebssystem?
Datenbanksysteme Spiele
Internetanwendungen Textverarbeitung Anwendungs-
Tabellenkalkulationsprogramme Programme
Multimediaanwendungen Web-Browser
Software
Compiler, Editoren, Kommandointerpreter, System-
Fenstersystem, Programmierumgebungen usw. Programme
Software zwischen der Hardware und den Betriebssystem
Anwendungsprogrammen
Hardware
Prof. Dr. Margarita Esponda-Argüero
5Warum Betriebssysteme?
Betriebssysteme sollen noch effizienter laufen.
Paralleles Hardware soll ausgenutzt werden.
Der Energieverbrauch spielt eine immer größere Rolle.
Sicherheitsprobleme sollen gelöst werden.
Neue Geräte brauchen neue Betriebssysteme.
Anwendungen werden besser, wenn die Vorteile
der darunterliegenden Betriebssystems
ausgenutzt werden.
Prof. Dr. Margarita Esponda-Argüero
6Zwei Sichtweisen
Ein Betriebssystem ist eine virtuelle Maschine, die von den
Hardwaredetails abstrahiert und die Programmierung von
Anwendungen dadurch erleichtert.
- macht Software portabel
Ein Betriebssystem ist ein Ressourcen-Manager, der eine
kontrollierte Zuteilung von Prozessoren, Rechenzeit, Speicher
und Ein-Ausgabegeräten realisiert.
- Zeit und Raum Zuteilung
- bietet Schutz
- macht endliche Hardware virtuell unendlich
Prof. Dr. Margarita Esponda-Argüero
7Betriebssysteme
Heute
Definition eines Betriebssystems
Geschichte der Betriebssysteme
Prof. Dr. Margarita Esponda-Argüero
8Die mobile Revolution
Fünfziger Jahre
Sechziger Jahre
Steinzeit der Computer
Siebziger Jahre Mainframes (Tausende)
Achtziger Jahre Minicomputer
Neunziger Jahre PCs (Millionen)
Erstes Jahrzehnt Vernetzte PCs
Eingebettete und mobile
Rechner (Milliarden)
Prof. Dr. Margarita Esponda-Argüero
9Betriebssysteme Entwicklung
Zeit Hardware Betriebssoftware
45 - 55 Röhren Lader
55 - 65 Transistor Stapelsysteme
Bänder, Trommeln
65 - 75 Hochintegration Teilnehmersysteme
LSI Large Scale Integration Datenbanksysteme
Platten Rechnernetze
Dateisysteme, virtueller Speicher
75 - 85 VLSI Personal Computing
Fenstersysteme
85 - 95 Schnelle Netze Verteilte Betriebssysteme
Client/Server-Systeme
95 - 2005 Mobile Rechner Betriebssysteme für Mobile
und Eingebettete Systeme
2005 - 2011 Mobile und Eingebettete Systeme
mit Multimedia-Anwendungen
Prof. Dr. Margarita Esponda-Argüero
10Betriebssysteme (1945-1955)
Die ersten Computer hatten kein Betriebssystem
Kein Programm im heutigen Sinn
Steckkarten
Elektronenröhren
Prof. Dr. Margarita Esponda-Argüero
11Das erste Betriebssystem
1953 EDVAC
Electronic Discrete Variable Computer
1024 Speicherworte
Aufgaben des Betriebssystems:
Die Ausführung des Programms zu verfolgen.
Unterprogramme wieder zu laden.
Dezimalzahlen in Binärzahlen zu verwandeln.
Selbstüberschreibung von Teilen, die nicht mehr benötigt werden.
Assembler Programme zu korrigieren.
Assembler Programme zu kompaktieren.
Prof. Dr. Margarita Esponda-Argüero
12Betriebssysteme (1950-1955)
Programmlader
1954 Lochkarten
UNIVAC 1103
MIT's operating system
1955 IBM 701
General Motors OS in 1955
Prof. Dr. Margarita Esponda-Argüero
13Betriebssysteme (1945-1955)
Die erste Computergeneration besaß nur einen Programmlader
Der Programmlader wurde nach Einschalten des Rechners geladen.
Der Programmlader las ein Programm, führte es aus und schrieb das
Ergebnis auf. Dann wurde das nächste Programm geladen.
Programmlader
nur ein
Programm im
Speicher
Prof. Dr. Margarita Esponda-Argüero
14Betriebssysteme (1955-1965)
Transistor
Mainframes
Stapelsystem
1961 MIT
CTSS Compatible Time-Sharing System
Timesharing-Betriebssystem
Prof. Dr. Margarita Esponda-Argüero
15Betriebssysteme (1955-1965)
Fortran
C EINLESEN DER DATEN
READ (5,*,END=92) N,M
Stapelsystem
WRITE (6,*) 'ORDNUNG ', N
WRITE (6,*) 'BANDBREITE ', M
IF (N.GT.NMAX) GOTO 91
IF (M.GT.MMAX) GOTO 91
Ein einfaches Betriebssystem las
einen Job, führte ihn aus und schrieb
das Ergebnis auf ein zweites Band.
2.346 2.354
2.346 2.354
0.627 5.765
2.346 2.354
2.346 2.354
0.627 5.765
Tannenbaum
Überlappung von Lesen – Verarbeiten – Drucken
16Betriebssysteme 1961
MIT
First Timesharing System
CTSS Compatible Time-Sharing System
Demo-Version mit nur 3 Benutzern
Crisman, 1964. Interactive computing
Durchbruch in der Softwareentwicklung
Prof. Dr. Margarita Esponda-Argüero
17Betriebssysteme (1965-1975)
LSI-Schaltungen (Large Scale Integration)
Mainframes Minicomputers
IBM UNIVAC Burroughs Beispiel: PDP-1 bis PDP-11
Betriebssysteme Betriebssysteme
Multics
Multiprogramming
C
Timesharing Unix
Assembler BSD (Berkeley Software Distribution)
Sehr teuer! Timesharing
Prof. Dr. Margarita Esponda-Argüero
18Betriebssysteme (1965-1975)
Multiprogramming Timesharing
Teilnehmerbetrieb
Programm 1
Programm 2 Speicher
CPU
Speicher
Programm 3
Betriebs-
system
Prof. Dr. Margarita Esponda-Argüero
19Betriebssysteme (1965-1975)
Timesharing
Ein/Aus-Routinen
Monitor
Batch-Job 1
Batch-Job 2
Job 1
Job 2
Job 3
Prof. Dr. Margarita Esponda-Argüero
20Erste
Multiprogramming Timesharing
Betriebssysteme
Probleme Hardware wird
Preemption
besser benutzt.
Speicherschutz
nur ein Programm
Ein weiteres
Programm wird
Schwache Nutzung gestartet, wenn das
des Hardwares laufende Programm
auf Ein/Ausgabe Probleme
wartet.
Kein Schutz vor Komplexität
fehlerhaften Probleme
Programmen Entwicklungskosten
Endlosschleifen
Speicherschutz
Prof. Dr. Margarita Esponda-Argüero
21Betriebssysteme (1965-1975)
Die Entwicklung des Betriebssystems verwandelte sich in einen
Alptraum?
IBM Beispiel
- OS/360 Multiprogramming-System
- 60 Top-Programmierer
- Erste Verspätung bis 1965
- 150 Top-Programmierer
- Zweite Verspätung bis 1967
- am Ende arbeiteten mehr als 1000 Leute in der Entwicklung.
- $500 000 000 (geplant waren nur $125 000 000)
- viele Fehler!
Prof. Dr. Margarita Esponda-Argüero
22Betriebssysteme (1965-1975)
IBM Beispiel
23Betriebssysteme (1975-1985)
Hardware ist ständig billiger geworden
VLSI-Schaltungen
Minicomputers Mikrocomputers
Unix, System V, BSD-Unix, POSIX CP/M Control Program for
Microcomputers
Betriebssysteme IBM PC
Höhere Modularität DOS 1.0 8 KB
Disk Operating System
Höhere Portabilität
XENIX
nur der Kernel in Assembler
programmiert, der Rest in C
MS-DOS
nur ein C-Compiler ist nötig
Einbenutzersystem
mit Unix entstehen viele
neue Hardwarefirmen Ein Programm
Prof. Dr. Margarita Esponda-Argüero
24UNIX
MULTICS Bell Labs, MIT und General Electric
Ken Thompson
UNICS abgespeckte Version von MULTICS
Das UNIX-Betriebssystem entsteht nach dem Prinzip der
Einfachheit
"simple is beautiful"
Dennis Richie PDP-11
C
UNIX
Ken 8200 Zeilen C-Code
Thompson
900 Zeilen Assembler-Code
Prof. Dr. Margarita Esponda-Argüero
25Betriebssysteme (1985-1995)
VLSI Mikrocomputers
GUI Graphical User Interface Fenstersysteme
1981 Xerox Star Apple‘s Macintosh Windows
1984 Daraufgesetzte
graphische Oberfläche
Windows 95
Netzwerkbetriebssysteme
Verteilte Systeme
26Betriebssysteme (1991)
von Tanenbaum für
Linux Torvalds schrieb:
Lernzwecke entwickelt
...
Hello everybody out there using minix –
I‘m doing a (free) operating system (just a
hobby, won‘t be big and professional like gnu)
for 386(486) AT clones . . .
1991 Linux 0.0.1 auf Intel 386 beschränkt.
1994 Linux Version 1.0 165000 Zeilen Code
1996 Linux Version 2.0 470000 Zeilen Code
Prof. Dr. Margarita Esponda-Argüero
27Betriebssysteme (1995-2011)
Mikrocomputers
Windows 2000 ca. 40 Millionen Quellcode Linien SLOCs ??
Insgesamt 5,245 Mitarbeiter
2007 900 Entwickler 1,800 Tester
Microsoft:
"the largest concerted software project in human history"
Windows Vista ca. 50 Millionen Quellcode Linien SLOCs
Linux Debian 2.2 ca. 59 Millionen SLOCs Linux+GNU
Linux Debian 3.0 (2002) ca. 105 Millionen SLOCs Linux+GNU
Linux Debian 4.0 ca. 283 Millionen SLOCs Linux+GNU
Mac OS X 10,4 ca. 86 Millionen SLOCs Darwin+Systemsoftware
Prof. Dr. Margarita Esponda-Argüero
28Betriebssysteme
Donald Knuth sagt:
"An elephant is a mouse with an operating system.“
+ Betriebssystem =
Prof. Dr. Margarita Esponda-Argüero
29Betriebssysteme (1995-2011)
Serverbetriebssysteme
Windows NT
.
.
.
Windows Server 2011
AppelShare
.
.
MacOS X Server (basiert auf BSD Unix)
Red Hat Enterprise Linux 6 Ressourcen
Fehlertoleranz
freeBSD Devian GNU/Linux Nebenläufigkeit
Netzsicherheit
30Betriebssysteme (2000-2011)
Mobile Rechner
Tablet PCs Ultra Mobile PCs
2007 Windows Vista
Mobile PCs Linux
100 Millionen
Windows XP Tablet PC Edition 2005
RMI BlackBerry
2010
Windows Mobile 2008 12% Markt
5 Milliarden
Mac OS auf iPhone
Palm OS → Garnet OS → Acces Linus
Symbian "Belle" Marktführer
190 Millionen Geräte mit Android bis Oktober 2011
Prof. Dr. Margarita Esponda-Argüero
31Faktoren für eine höhere Nutzbarkeit von
mobilen Geräten
Tragbar klein und leicht
Lange Betriebsdauer sehr energiesparsam
Kommunikation sehr effiziente
Signalverarbeitung
Bandbreite
Echtzeitfähig
Prof. Dr. Margarita Esponda-Argüero
32DSP
Digital Signal Processors
DSP Prozessoren sind zu
mobilen Geräten wie
General Purpose Processors
(GPP) zu Desktops
GPU
Graphics Processing Unit
Mehr als 96% der heutigen
Prozessoren sind DSP und
eingebettete Prozessoren
Prof. Dr. Margarita Esponda-Argüero
33Genes Gesetz: Immer weniger
Energie pro MIPS
Gene
2000
34GPP Architektur vs. DSP
Große Bandbreite
Programm
Speicher
Programm
+ Daten
Speicher
Daten GPP
Speicher
DSP
Daten
Speicher
Daten
Speicher
Prof. Dr. Margarita Esponda-Argüero
35Lange Betriebsdauer
Parallele Architekturen
Die Energie ist proportional zum Quadrat
der Spannung V, der Kapazität C und der Frequenz F
CMOS Energie ~ C V2 F
½V
Energie ~ ¼ C V2 F
½F
Energie ~ 1 8 C V2 F ⇒ ½ Performance
verdopple die Anzahl der Arithmetischen Einheiten
Ein Viertel der Energie ohne Performanceverlust
Prof. Dr. Margarita Esponda-Argüero
36Texas Instruments TMS320C55x
Harvard Architektur
Program
Data Read
Data Read
Data Read
Data Write
Data Write
CPU
Instruction Program Address Data
Buffer Flow Data Flow Computation
Prof. Dr. Margarita Esponda-Argüero
37Mehrfache Arithmetische Einheiten
+
Spezialisierte Instruktionen
acc = acc + a*b
DSP GPP
mac x0,y0,a x:(r0)+,x0 y:(r4)+,y0 mpy r2, r3, r4
Add r4, r5, r5
mov (r0), r2 RISC
CISC mov (r1), r3
inc r0
inc r1
Prof. Dr. Margarita Esponda-Argüero
38Mehrfache Arithmetische Einheiten
(MACs, ALU, Shifter)
Program
Data Read
Data Read
Data Read
Data Write
Data Write
CPU
Instruction Program Address Data
Buffer Flow Data Flow Computation
Data Computation Unit
39Variable Befehlslänge für höheren Durchsatz
Kompression
durch
Compiler
Programm
Programm
Speicher
Dekompression
Very Long Instruction Word
CPU
Prof. Dr. Margarita Esponda-Argüero
40Mobile Geräte
Mobile Geräte der neuen Generation integrieren
verschiedene Datendienste.
Prozessoren für diese Geräte besitzen eine hybride
Architektur.
Das Grundproblem ist und bleibt der Energieverbrauch.
Hardware-Architektur-Design geht Hand in Hand mit der
Software-Entwicklung (Software-Hardware-Synergie).
Betriebssysteme müssen Energie-Management
haben.
Prof. Dr. Margarita Esponda-Argüero
41Betriebssysteme (2000-2011)
Eingebettete Betriebssysteme
Es gibt weit mehr als 100 Betriebssysteme für eingebettete
Systeme, wie Handys, Kameras, Automobile , Hausgeräte
oder Industrieautomaten.
Echtzeitbetriebssysteme
VxWorks
für mobile Endgeräte
Windows CE
Windows XP Embedded
Embedded Linux
Nucleus OS QNX Neutrino RTOS
Embedded Linux
Prof. Dr. Margarita Esponda-Argüero
42Betriebssysteme (2000-2011)
Eingebettete Betriebssysteme
Smart Card COS Chipcard Operating System
ACOS Austria Card
ACOS / ACOS2 Advanced Card Systems
Basic Card Zeitcontrol
CARDOS Siemens
DKCCOS Safenet (Datakey)
GPK Gemplus
Java Card Java Card Forum
Micardo ORGA
MULTOS Maosco
SETCOS SETEC (Finnland)
SiCrypt Infineon
STARCOS / SECCOS G&D
TCOS Telesec
Prof. Dr. Margarita Esponda-Argüero
43Moderne Rechensysteme
Verschiedene Parallelisierungsformen
Beispiel:
• Mehrere komplette Prozessoren auf einem Chip
• Koprozessoren
• Parallele Funktionseinheiten
• Hardware-Multithreading
• Teilwort-Parallelität (SIMD)
• Überlappte Ausführung (pipelining)
Hauptgrund:
Die Verarbeitung von Multimediadaten
Prof. Dr. Margarita Esponda-Argüero
44Betriebssysteme
Supercomputer-
Server-
Multiprozessor-
PC-
Betriebssysteme
PDA-
Echtzeit-
Eingebettete-
Chipkarten-
Multimedia-
Prof. Dr. Margarita Esponda-Argüero
45Typische Struktur eines Betriebssystems
Programme Bibliotheken
Benutzer-
Ebene
Kommandozeileninterpreter,
Sprachübersetzer, Systembibliotheken
Schnittstelle System-API Systemaufrufe
zum Kernel
Prozess-, Ressourcen-Verwaltung
Kernel-
Ebene
Dateisystem Treiber ....
Schnittstelle
zur Hardware HAL Schnittstelle zur Hardware
Hardware
Prof. Dr. Margarita Esponda-Argüero
46Grundfunktionalität von Betriebssystemen
Prozessverwaltung
Erzeugen, Starten, Anhalten und Löschen von Prozessen
Zuweisung von Ressourcen zu Prozessen
Schutz von Prozessen, durch Isolierung
Kommunikation zwischen Prozessen
Geräteverwaltung
Steuerung der Geräte (Driver)
Abstraktion von Hardwaredetails
Schnittstelle für höhere Schichten
Speicherverwaltung
Verwaltung des Hauptspeichers und des virtuellen Speichers
Teilung und Schutz von Speicherbereichen
Dateiverwaltung und Objektverwaltung
Netzkommunikation
Energieverwaltung Prof. Dr. Margarita Esponda-Argüero
47Sie können auch lesen
